Nach der Fertigstellung des von Gottfried Semper entworfenen Stadthauses zogen der Stadtrat 1870 zusammen mit einem Grossteil der Verwaltung aus dem alten Rathaus aus. Anschliessend liess die Stadt einen öffentlichen Durchgang von der Innenstadt durch die Markthalle unter dem Vorderhaus zur neu angelegten Museumsstrasse (heute Stadthausstrasse) schaffen. Der Innenhof und das Hinterhaus an der ehemaligen Stadtmauer wurden dabei grossflächig umgestaltet. Es entstanden Räume für das Schwurgericht, Bezirksgericht, Statthalteramt, Bezirksrat und die Gerichtskanzlei. Verantwortlich für den Umbau war Stadtbaumeister Joseph Bösch, ein ehemaliger Schüler Gottfried Sempers.
Der frühere Innenhof wurde in drei Bereiche gegliedert. Entlang der Seiten entstanden Geschäftslokale, während in der Mitte eine öffentliche Passage entstand. Der neue Lichthof lies den Blick frei auf zwei Etagen, die klassisch mit Säulen und Pilastern in aufsteigender Säulenordnung gegliedert wurde. Eine Stahl-Glas-Konstruktion deckte den Lichthof.
Für die Decken des Durchgangs entwarf Bösch aufwendige Stuckverzierungen. Diese wurden von Oskar Kronauer in historisierendem pompejanischen Stil ausgemalt. Auch die Fassade des Hinterhauses an der Stadthausstrasse wurde reich gestaltet und geschmückt. Sie zeigt im Erdgeschoss ein Rundbogenportal aus drei Teilen, ein sogenannt venezianisches Fenster und eine sogenannt rustizierte Fassade. Dabei vermitteln kräftig hervortretende Steinquader den Eindruck besonderer Festigkeit. In den oberen Stockwerken wird die Fassade durch Bildfelder in Sgraffittotechnik im Stil der Hochrenaissance verziert. Bei dieser Technik werden verschiedenfarbige Putzschichten übereinander aufgetragen und anschliessend teilweise wieder abgekratzt. Dargestellt sind illusionistische Architektur- und Stuckelemente mit Fabelwesen, sogenannte Grotesken und mittig im Obergeschoss das Stadtwappen von Winterthur.
Der im Jahr 1895 geschaffene, aus 45 Mitgliedern bestehende Grosse Rat tagte auch im alten Rathaus. Mit der Stadtvereinigung 1922 folgte der Grosse Gemeinderat mit 60 Mitgliedern, der ebenfalls die Räumlichkeiten im alten Rathaus nutzte.